TFM_ADRIAN_MARTINEZ_REQUENA

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE
SISTEMAS INFORMÁTICOS
PROYECTO FIN DE MÁSTER
Introducción a CAN bus: Descripción, ejemplos y
aplicaciones de tiempo real
Autor:
Adrián Martínez Requena
Tutor:
Javier García Martín
Curso académico:
2016 - 2017
Departamento de Sistemas Informáticos
4 de julio de 2017
http://www.upm.es/institucional
http://www.etsisi.upm.es/
http://www.etsisi.upm.es/
http://www.jamessmith.com
I
«Los hombres geniales empiezan grandes obras, los hombres trabajadores las terminan.»
Leonardo da Vinci
II
III
Abstract
CAN technology is a communication protocol widely used in real-time and high-integrity environ-
ments. Due to its guarantees, it is frecuently used in the automotive and aeronautics industry, where the
reliability in communications is crucial for the right operation of the systems.
With the elaboration of this project the intention is to establish a base when developing or implement-
ing projects with the CAN bus technology, developing a guide using different solutions and techniques
for the implementation, deployment and utilization of this protocol.
With this goal in mind, specific designs, examples and functional applications will be developed and
proposed to make the use of the protocol more simple in other developements, and to ease the load of
investigation wich entails to start with CAN protocol without a previous base, trying to foment its uses
in projets where originaly wasn’t planned due to a lack of time or resources.
Key words: CAN bus, Real Time, High integrity, Raspberry, Arduino.
IV
V
Resumen
La tecnología CAN es un protocolo de comunicaciones ampliamente usado en entornos y sistemas
con requisitos de tiempo real. Debido a sus garantías, es frecuentemente utilizado en el sector de la au-
tomoción o la aeronáutica, en donde la fiabilidad en las comunicaciones es de vital importancia para el
funcionamiento de los sistemas.
Con la elaboración de este trabajo, se pretende aportar una base sobre la que apoyarse a la hora de
desarrollar e implementar proyectos con la tecnología CAN bus, desarrollando una guía que muestra
diversas soluciones y técnicas para la implementación, despliegue y utilización de este protocolo.
Con este objetivo en mente, se van a plantear y desarrollar librerías, ejemplos y aplicaciones funcio-
nales concretas para facilitar la utilización del protocolo en otros desarrollos, y así aligerar la carga de
investigación e implementación que supone comenzar a utilizar el protocolo CAN sin una base previa.
Se trata de fomentar así su utilización en proyectos en los que inicialmente no se había planteado su uso
por falta tiempo o recursos.
Palabras clave: CAN bus, Tiempo real, Alta integridad, Raspberry, Arduino.
VI
VII
Reconocimientos
A mi familia, por animarme a seguir adelante y a mejorar cada día.
A mi tutor, Javier García, por su apoyo y su orientación.
VIII
IX
Índice general
Abstract IV
Resumen VI
Reconocimientos VIII
1 Introducción 1
1.1 Objetivos del proyecto y motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Otros buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Protocolo CAN 4
2.1 Ventajas del protocolo CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Descripción del protocolo CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Capa física del protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Control de acceso al medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Formato de las tramas CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5.1 Tramas de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5.2 Tramas de error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.6 Estados de los nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Desarrollo del proyecto 12
3.1 Desarrollo de bajo nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.2 Dispositivos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.3 Circuito diseñado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.4 Programación de Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.5 Ejecución y resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Desarrollo con el módulo PiCAN2 CAN-Bus Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 Instalación y configuración del módulo PiCAN2 CAN-Bus Board . . . . . . . . 25
3.2.1.1 Módulo PiCAN2 CAN-Bus Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1.2 Instalación y configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1.3 Pruebas de envío y recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Librerías CAN desarrolladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2.1 Librería en C canLib.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2.2 Librería en ADA can.adb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Ejemplo de aplicación CAN - Control de tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.1 Objetivos del proyecto original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 Descripción del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Planificación temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
X
4 Resultados 56
4.1 Resultados del ejemplo de aplicación de control de tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 Objetivos logrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5 Conclusión y trabajos futuros 60
5.1 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 Impactos sociales y ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Trabajos futuros y mejoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Glosario 65
Bibliografía 69
A Librería can.h de Linux 71
B Librería Interfaces.C de ADA 77
XI
Índice de figuras
1.1 Ejemplo de reducción de las comunicaciones necesarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.1 Velocidad de transmisión del CAN bus con respecto a la distancia . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Niveles de tensión del CAN bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Formato de las tramas de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Formato de las tramas de error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Estado de error de los nodos CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1 Esquemático de la placa arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Esquemático del transceptor MCP2551 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Esquemático del microcontrolador MCP2515 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.4 Esquemático del circuito CAN diseñado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5 Tabla de relación entre frecuencias y capacidad de los condensadores . . . . . . . . . . . 17
3.6 Conexiones finales entre las placas Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.7 Trazas del puerto serie de Arduino. Recepción CAN (encima) y envío de CAN (debajo) . 22
3.8 Diagrama de la Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.9 Esquema de pines de la Raspberry Pi modelo B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.10 PiCAN2 CAN-Bus Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.11 Esquemáticodel fabricante de la placa PiCAN2 CAN-Bus Board . . . . . . . . . . . . . 26
3.12 Interfaz can0 activa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.13 Envío de tramas CAN desde Raspberry a Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.14 Envío de tramas CAN desde Arduino a Raspberry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.15 Envío de tramas entre dos placas Raspberry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.16 Esquema interno de un nodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.17 Conexiones entre los cuatro nodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.18 Atributos temporales y dependencias de las tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.19 Estudio de planificabilidad con la herramienta RTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
XII
Índice de cuadros
3.1 Parámetros asignados a las tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1 Tiempo empleado en el proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Coste aproximado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
XIII
Lista de Abreviaturas
CAN Controller Area Network
MVB Multifunction Vehicle Bus
FIP Factory Implementation Protocol
ISO International Organization for Standardization
ACK ACKnowledgement
EOF End Of File
E/S Entrada / Salida
HW HardWare
ARM Acorn RISC Machine
CPU Central Processing Unit
LED Light-Emitting Diode
TB TeraByte
GB GigaByte
MB MegaByte
B Byte
OSI Open System Interconnection
TDMA Time Division Multiple Access
PWM Pulse Width Modulation
IDE Integrated Development Environment
PDIP Plastic Dual In-line Package
SPI Serial Peripheral Interface
IP Internet Protocol
SW SoftWare
TCP Transmision Control Protocol
UI User Interface
USB Universal Serial Bus
XIV
Lista de Símbolos
T Tiempo s
C Capacidad eléctrica µF
F Frecuencia Hz
V Voltaje V
R Resistencia Ω
I Intensidad A
MHz Megahercios
pF Picofaradios
MB/s Megabytes por segundo
KB/s Kilobytes por segundo
h Horas
s Segundos
ms Milisegundos
µs Microsegundos
B Bytes
Mb Megabytes
B Bytes
m Metros
Km Kilómetros
XV
Capítulo 1
Introducción
La tecnología CAN es un protocolo de comunicaciones ampliamente usado en entornos y sistemas con
requisitos de tiempo real, desarrollado por la compañía Robert Bosch GmbH en 1986, surgido por la
necesidad de conectar cada vez más y más dispositivos electrónicos en el interior de los coches. Debido
a sus garantías, es frecuentemente utilizado en el sector de la automoción o la aeronáutica, en donde la
fiabilidad en las comunicaciones es de vital importancia para el funcionamiento de los sistemas.
La implantación de este modelo de comunicaciones supuso un avance en cuanto a la cantidad de
conexiones entre dispositivos que eran necesarias para mantener todos los elementos comunicados, ya
que el protocolo CAN emplea un único bus de comunicaciones, compartido por todos los dispositivos y
evita la necesidad de establecer una conexión puto a punto con cada uno de ellos.
FIGURA 1.1: Ejemplo de reducción de las comunicaciones necesarias
1
Capítulo 1. Introducción 2
1.1 Objetivos del proyecto y motivación
Con este trabajo, se pretende elaborar una documentación concisa que sirva para desarrollar proyectos
con la tecnología CAN bus. Esta documentación tendrá inicialmente forma de guía, describiendo diver-
sas soluciones técnicas para la implementación, despliegue y utilización de este protocolo.
Con este objetivo en mente, se van a desarrollar librerías, ejemplos y aplicaciones funcionales con-
cretas para facilitar la implementación de este protocolo en otros proyectos, aportando así herramientas,
documentación y una base sobre la que trabajar, para así tratar de fomentar su uso en proyectos y ámbi-
tos en los que inicialmente no se había planteado su utilización.
Los ejemplos desarrollados utilizarán el bus en distintas configuraciones y tendrán distinto grado de
dificultad. Finalmente se presentará un ejemplo de aplicación de tiempo real, orientada al control del
tráfico, que utilizará el bus con restricciones estrictas en el tiempo de respuesta y se desarrollarán los
análisis correspondientes.
Una de las motivaciones para el desarrollo de este proyecto, surgió en parte en el desarrollo de un
trabajo previo [1], centrado en un sistema distribuido en tiempo real, en el que, a pesar de las ventajas
de este protocolo y las contraindicaciones de emplear un protocolo no orientado a sistemas de tiempo
real, no se llegó a incluir en el mismo debido al tiempo requerido para su desarrollo e investigación con
respecto a otros protocolos de comunicación mas extendidos.
1.2 Otros buses
A pesar de ser CAN uno de los protocolos de comunicaciones mas utilizados en entornos de tiempo real
y de alta integridad, también existen otros protocolos diseñados para tal fin.
• MVB: Siglas de Multifunction Vehicle Bus, es un protocolo principalmente empleado en la in-
dustria ferroviaria para comunicar diversos sistemas críticos dentro del tren. Posee detección de
colisiones y garantías temporales y de entrega.
Capítulo 1. Introducción 3
• FIP: Siglas de Factory Implementation Protocol, es un protocolo de comunicaciones en tiempo
real poco extendido, que funciona sobre Ethernet, proporcionando garantías de tiempo y de entrega
[2].
A pesar de existir otras tecnologías alternativas al CAN bus, están mucho menos extendidas que éste
y se localizan principalmente en diversos ámbitos industriales específicos. Ya que el objetivo del pro-
yecto es facilitar el uso de un protocolo de comunicaciones para sistemas de tiempo real, se ha elegido
el protocolo CAN por ser el mas usado y el mas extendido.
Capítulo 2
Protocolo CAN
2.1 Ventajas del protocolo CAN
Uno de los puntos fuertes de esta tecnología, y lo que la ha hecho perdurar en el tiempo a pesar de la
aparición de otros protocolos de comunicación con mayor velocidad o capaces de transmitir a mayor
distancia, son las garantías de comunicación que ofrece, las cuales son muy importantes a la hora de
desarrollar sistemas con características de tiempo real o de alta integridad.
• Posee herramientas para la detección de errores en la transmisión, así como la capacidad de re-
transmisión automática de las tramas erróneas.
• Capacidad de discernir entre errores puntuales en la transmisión, o errores producidos por el fallo
de un nodo, en cuyo caso, tiene la capacidad de desconectarlo para evitar que el error sature la
red.
• Priorización de mensajes y garantía en los tiempos de latencia en la entrega de los mismos. Ésta es
una de las características por las que este protocolo de comunicaciones es ampliamente utilizado
en el ámbito de los sistemas de tiempo real.
• Garantías en la consistencia de los datos.
• Flexibilidad en la configuración de la red, tanto en número de nodos, como en la disposición de los
mismos, pudiendo añadirse o quitarse nodos de forma dinámica sin afectar al protocolo. Pueden
conectarse hasta 110 nodos a una red CAN.
4
Capítulo 2. Protocolo CAN 5
2.2 Descripción del protocolo CAN
El protocolo CAN está especificado en el estándar ISO 11898[3], el cual contiene diversas normas espe-
cíficas para distintos aspectos del protocolo y diversos tipos de funcionamiento. Por ejemplo, la norma
ISO 11898-2 estandariza el protocolo CAN del alta velocidad, pudiendo alcanzar velocidades de hasta
1 MB/s, o la norma ISO 11898-3, que estandariza el protocolo CAN de baja velocidad tolerante a fallos.
FIGURA 2.1: Velocidad de transmisión del CAN bus con respecto a la distancia
Un módulo CAN se compone de dos elementos básicos:
• Controlador: Gestiona el montaje de las tramas CAN, comprobación de errores en la transmisión,
o en otros nodos, así como de la detección de colisiones,
• Transmisor / Receptor: También llamado transceptor. Este módulo es el encargado de la codi-
ficación y decodificación de los mensajes en el bus, sincronización,control de los niveles de la
señal o del control de acceso al medio.
El controlador CAN, así como el transceptor, son módulos independientes de los nodos, lo que per-
mite que éstos no tengan que destinar recursos en la gestión de las comunicaciones, acceso al medio o
colisiones entre otros. A pesar de que algunos microcontroladores poseen módulos CAN en un único
encapsulado, internamente son circuitos independientes en la mayoría de los casos.
Cualquier dispositivo conectado al bus puede mandar mensajes, y todos los nodos conectados al
mismo lo recibirán. Para discriminar los tipos de mensajes, éstos llevan un identificador asociado. De
este modo, cada nodo puede procesar los mensajes que le interesen o por el contrario, descartarlos.
Capítulo 2. Protocolo CAN 6
2.3 Capa física del protocolo
Posee una topología en forma de bus, en la que únicamente son necesarios dos cables trenzados y con
una impedancia de 120 Ω, para interconectar todos los dispositivos en una misma red. Las señales de
estos cables se denominan CAN_H (CAN high) y CAN_L (CAN low) y dependiendo del voltaje de las
mismas, el bus puede encontrarse en modo recesivo, con ambos cables con el mismo nivel de tensión,
o en modo dominante, con una diferencia de tensión entre los cables de al menos 1,5V. Este modo de
comunicación tiene como objetivo proporcionar una mayor protección frente a interferencias electro-
magnéticas.
Esta protección viene dada, debido a que la lectura de los bits se basa en la diferencia de voltaje entre
los dos cables trenzados, por lo que en caso de verse sometidas a la misma influencia electromagnética,
a pesar de la variación señal en los cables, la diferencia de voltaje entre ellos se mantiene constante.
FIGURA 2.2: Niveles de tensión del CAN bus
https://es.wikipedia.org/wiki/Bus_CAN
Capítulo 2. Protocolo CAN 7
2.4 Control de acceso al medio
El protocolo CAN tiene otra característica denominada arbitraje, mediante la cual se controla el acceso
al medio por parte de los nodos y se evitan posibles colisiones en las comunicaciones. Esta caracterís-
tica forma parte del control de acceso al medio implementado por el protocolo CAN, CSMA/CD+CR
(Carrier Sense, Multiple Access/Collision Detection + Collision Resolution o Acceso Múltiple con de-
tección de portadora, detección de colisión más Resolución de colisión)
En el bus, los bits dominantes equivalen al nivel lógico "0", y los bits recesivos al valor lógico "1".
Al inicio de las tramas enviadas por los nodos, se encuentra un campo dedicado específicamente al ar-
bitraje, que coincide con el identificador propio del nodo. Antes de transmitir, los nodos deben vigilar
el bus durante un período en el que no puede haber actividad en él, tras ésto, y cuando dos nodos tratan
de transmitir de forma simultánea, los bits dominantes prevalecen sobre los bits recesivos, por lo que
el nodo que trata de transmitir la trama con bits dominantes (numero de identificación menor) es capaz
de detectar la colisión con los bits recesivos (numero de identificación mayor). Para que la detección de
colisiones sea eficaz, los nodos deben tener una correcta sincronización, manteniendo las frecuencias de
reloj de los controladores CAN dentro de los valores tolerados[4].
El nodo que detecta la colisión, deja de transmitir inmediatamente y espera hasta finalizar la comu-
nicación del otro nodo para intentarlo de nuevo.
2.5 Formato de las tramas CAN
El protocolo CAN contempla diferentes formatos de tramas, cada una orientada a un propósito específico
dentro del funcionamiento del protocolo. Las mas importantes son:
• Tramas de datos: Tramas utilizadas para el paso de información entre nodos, que puede ser
enviada y recibida por uno o varios de ellos.
• Tramas de error: Tramas utilizadas cuando algún nodo de la red detecta un error en alguno de
los mensajes transmitidos por otros nodos. Violan las normas del formato de tramas CAN.
• Tramas de petición remota: Tramas utilizadas para solicitar el envío de información a otro nodo.
Se envía una trama con el identificador del nodo del que se requiere el envío de información, éste
lo recibe y devuelve la información con una trama de datos.
Capítulo 2. Protocolo CAN 8
• Tramas de sobrecarga: Al igual que las tramas de error, violan las normas del formato de tramas
CAN. Es enviada por un nodo cuando éste está sobrecargado, lo que provoca que el bus incluya
un retardo extra entre tramas.
Cuando el bus está en reposo (no hay intercambio de tramas), se mantiene de manera constante un
nivel recesivo en el bus. Cuando se tienen que enviar mensajes que ocupan mas de una trama de datos,
éstas se separan entre si por una secuencia predeterminada, llamada espacio inter-trama, compuesta por
3 bits recesivos.
2.5.1 Tramas de datos
Este tipo de tramas es capaz de enviar hasta 8 Bytes de información. Poseen al inicio un identificador,
que puede ser con el formato estándar de 11 bits o con el formato extendido, de 29 bits.
FIGURA 2.3: Formato de las tramas de datos
https://es.wikipedia.org/wiki/Bus_CAN
Las tramas se inician con un un único bit dominante, empleado para la sincronización con el resto de
nodos. Posteriormente se encuentra el campo del identificador, que a parte de servir como identificador
del nodo, también representa la prioridad de la trama en la red. Conociendo los identificadores de todos
las tramas que intentan ser transmitidas, se puede establecer de manera determinista el orden en el que
son transmitidas. Así, una trama CAN con identificador más bajo (mayor número de bits dominantes
en las primeras posiciones) tiene más prioridad que una trama con identificador más alto. En el formato
estándar está compuesta por 11 bits, terminado con un bit adicional empleado para diferenciar entre
tramas de datos (valor 0), o tramas de petición remota (valor 1).
Capítulo 2. Protocolo CAN 9
En el campo de control, los dos bits iniciales están reservados para un uso futuro, y posteriormente
se encuentran cuatro bits, que definen el tamaño del campo de datos de la trama que se encuentra a
continuación. La parte de la trama coloreada en rojo en la figura 2.3 contiene el campo de datos, que
puede abarcar desde los 0 a los 8 Bytes.
Por último, se encuentra el campo de CRC (Código de redundancia cíclica), que se encarga de
asegurar la integridad de los datos enviados. La trama termina con un bit recesivo para el delimitador
CRC, un campo de dos bits empleado como celda de reconocimiento o ACK y el fin de trama o EOF,
consistente en 7 bits recesivos sucesivos. La trama debe contener al final de la misma el espaciado re-
glamentario entre tramas, compuesto por tres bits recesivos.
2.5.2 Tramas de error
El protocolo CAN posee una norma de relleno de bits en las tramas, que consiste en que cada secuencia
de cinco bits con el mismo valor, se introduce un bit de valor inverso. Esto provoca que el formato de
las tramas de error incumplan esta norma y puedan ser detectadas sobre las tramas de datos.
Las tramas de error pueden ser generadas por cualquier nodo que detecte un error en las comunica-
ciones. El formato de las mismas es:
FIGURA 2.4: Formato de las tramas de error
http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/CAN
Se componen de dos campos. En la parte inicial, se encuentra el indicador de error, o error flag,
cuyo formato depende el tipo de nodo que haya detectado el error. Si el error ha sido detectado por un
Capítulo 2. Protocolo CAN 10
nodo en estado de error activo (véase 2.6), interrumpe inmediatamente la comunicación, rellenando el
valor de este campo con 6 bits dominantes e incumpliendo las normas de relleno de bits, por lo que es
detectada por el resto de nodos, y estos generan a su vez tramas de error.
Si el error ha sido detectado por un nodo con estado de error pasivo (véase 2.6), rellena el campo del
indicador de error con 6 bits recesivos. Al enviarse bits recesivos, la comunicación no se ve interrumpida
y no es detectada por ningún otro nodo de lared, únicamente es detectada por el nodo que envía la trama
y se tiene en cuenta a la hora de determinar el estado de error de ese nodo.
En la parte final se encuentra el delimitador de error, o error delimiter, compuesto por 8 bits recesivos
seguidos, que indican el final de la trama de error y la posibilidad de continuar con las comunicaciones
normalmente.
2.6 Estados de los nodos
Para evitar que un nodo con errores condicione el funcionamiento de la red o pueda provocar fallos o
saturaciones, el protocolo dispone de medidas para desconectar de la red este tipo de nodos. Éstos se
pueden encontrar en tres estados diferentes:
• Error activo: El nodo puede enviar mensajes y tramas de error normalmente. Es el estado normal
de un nodo.
• Error pasivo: El nodo cambia el formato de sus tramas de error, enviando 12 bits recesivos. De
este modo, el resto de nodos no son capaces de detectarlas y no realentiza las comunicaciones.
• Bus off o Anulado: El nodo se auto-desconecta del bus, se deshabilita su transceptor y no participa
en la comunicación.
Todos los nodos detectan errores, en el momento en el que uno de los nodos detecta un error, envía
al resto de nodos una trama de error, compuesta por 6 bits dominantes, y 6 bits recesivos, la cual viola
las reglas del formato de las tramas CAN. Todos los nodos descartan el mensaje erróneo y el emisor lo
retransmite de nuevo. Tras la detección de un error, se incrementa el valor de los contadores de errores
de transmisión (TEC) y de errores de recepción (REC), incluidos en el controlador de comunicaciones
del emisor. Los sucesivos envíos o recepciones correctas de mensajes, decrementan el valor de estos
Capítulo 2. Protocolo CAN 11
contadores.
El valor de estos dos contadores, determina el estado del nodo, pudiendo variar entre los tres estados
mencionados anteriormente, y comportándose de la siguiente forma:
FIGURA 2.5: Estado de error de los nodos CAN
http://canbus.pl/index.php?id=4&lang=en
Cuando un nodo se desconecta de la red, se resetea, configura y se conecta de nuevo a la red, pero
no podrá comenzar a transmitir de nuevo hasta no haber recibido 128 secuencias de 11 bits recesivos sin
errores en el bus.
Capítulo 3
Desarrollo del proyecto
El planteamiento del proyecto se ha tratado de orientar para abarcar el mayor número de situaciones
posible, por lo que durante el desarrollo del mismo, se han dividido los esfuerzos en diversos ámbitos
que hemos considerado de mas utilidad, dada la intención del proyecto.
Inicialmente se ha comenzado por un desarrollo a más bajo nivel, diseñando e implementando un
circuito CAN bus sobre una placa de prototipado, capaz de establecer comunicación entre dos dispositi-
vos Arduino.
Posteriormente, y componiendo el grueso del trabajo, los esfuerzos se han orientado al desarrollo
en la placa Raspberry Pi, empleando una placa compatible independiente para el protocolo CAN. Se ha
configurado y probado, y se han desarrollado librerías en C para su uso.
Finalmente se han empleado estas librerías en un proyecto codificado en el lenguaje de programa-
ción ADA, para demostrar y comprobar su correcto funcionamiento y utilidad.
3.1 Desarrollo de bajo nivel
Uno de los primeros planteamientos a los que se le pretendía dar solución, era dar soporte a los sistemas
mas simples o de bajo nivel, que estuvieran en la necesidad de implementar este protocolo de comuni-
caciones, y que no dispusieran de protocolo de comunicación ya implantado por un sistema operativo.
Para ello se ha diseñado una implementación basada en dos chips de la empresa Microchip, acompañada
del circuito necesario para su funcionamiento, dando así la oportunidad de desarrollar placas a medida,
compatibles tanto con Arduino como con otro tipo de Microcontroladores o Microprocesadores. Para
12
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 13
probar el diseño del circuito y que la comunicación funciona correctamente, se ha empleado placas Ar-
duino.
3.1.1 Arduino
La placa de Arduino utilizada ha sido la placa Arduino Uno. Es una pequeña placa que da soporte
electrónico al microcontrolador ATmega328P [5] que lleva incorporado. Dispone además de 14 pines
digitales de entrada/salida, pudiendo ser empleados 6 de ellos como señales PWM.
Las ventajas que aporta el desarrollo en esta placa con respecto a los microcontroladores tradiciona-
les, es la sencillez de uso, ya que posee todo el circuito necesario impreso en la misma placa y está lista
para su uso. Además, posee una interfaz USB, que permite la posibilidad de conectarla directamente al
ordenador y programarlo a través de un entorno de desarollo (IDE) específico de Arduino.
Es por ello que su uso está muy extendido y el motivo por el que se ha empleado para este primer
desarrollo del proyecto.
FIGURA 3.1: Esquemático de la placa arduino
https://aprendiendoarduino.wordpress.com
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 14
3.1.2 Dispositivos utilizados
El peso de la parte electrónica del protocolo CAN recae principalmente en los dispositivos del fabri-
cante Microchip empleados, los modelos empleados han sido MCP2551 para el transceptor CAN y el
MCP2515 para el controlador CAN.
• MCP2551[6]: Este transceptor es el encargado del control de la parte física del protocolo CAN,
la gestión de la codificación de los bits en el medio y el control de los niveles de tensión. Puede
operar con velocidades de hasta 1 MB/s y soporta la conexión de hasta 112 nodos de forma
simultánea a la red.
FIGURA 3.2: Esquemático del transceptor MCP2551
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21667f.pdf
Se ha empleado el modelo con encapsulamiento PDIP, ya que la implementación física del circuito
de prueba se ha llevado a cabo sobre una placa de prototipado. El dispositivo dispone de dos
patillas, RXD (recibir) y TXD (transmitir), por las que se comunica con el módulo MCP2515, y
dos patillas CAN_H (can high) y CAN_L (can low) encargadas de la conexión con el bus CAN,
además de las patas de alimentación VSS y VDD.
• MCP2515[7]: Este microcontrolador se encarga de la implementación de la especificación del
protocolo CAN, capaz de transmitir tanto tramas estándar como tramas extendidas. La comunica-
ción de conexión que ofrece es mediante protocolo serie (Serial Peripheral Interface o SPI).
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 15
FIGURA 3.3: Esquemático del microcontrolador MCP2515
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21801d.pdf
Se ha empleado el modelo con encapsulamiento PDIP de 18 pines, ya que la implementación fí-
sica del circuito de prueba se ha llevado a cabo sobre una placa de prototipado. Además de las
entradas mas comunes en los microcontroladores, como pueden ser la entrada de alimentación
o de tierra (entradas VSS y VDD), requiere además de la entrada de una señal de reloj externa
(entradas OSC1 y OSC2).
También posee tres entradas específicas para la comunicación con el exterior mediante SPI (pines
CS, SO, SI y SCK), dos para la comunicación con el transceptor CAN (pines TXCAN y RXCAN),
una para el RESET del microcontrolador y una salida específica de interrupciones, que se activa
para notificar la recepción de una trama CAN (pin INT).
3.1.3 Circuito diseñado
Tras la elección de los microcontroladores a utilizar, se ha diseñado el circuito electrónico necesario
para su funcionamiento, alimentado a 5V y siguiendo las especificaciones del datasheet del fabricante.
Se han comprado los componentes y se ha diseñado y probado de la siguiente forma.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 16
FIGURA 3.4: Esquemático del circuito CAN diseñado
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 17
Se han conectado los pines TXCAN y RXCAN del microcontrolador MCP2515 a los pines TXD y
RXD del microcontrolador MCP2551 respectivamente, los cuales con responsables de la comunicación
entre éstos. Se les ha añadido también a ambas conexiones una bombilla LED roja, conectada por segu-
ridad a una resistencia de 150 Ω, que se ilumina o parpadea cuando hayactividad en la conexión.
Se ha desarrollado un circuito de reloj según la tabla de especificaciones del datasheet, empleando
un reloj de 16 MHz, acompañado de dos condensadores de 22 pF conectados en paralelo.
FIGURA 3.5: Tabla de relación entre frecuencias y capacidad de los condensadores
Se han conectado, con una resistencia de 10 KΩ los pines de RESET del componente MCP2515 a
5V, ya que son pines activos a nivel bajo, para evitar un reseteo indeseado. También se ha añadido una
bombilla LED roja, con una resistencia de 150 Ω por seguridad, conectado entre el pin INT del compo-
nente MCP 2515 y la fuente de 5V para señalar de manera visual las interrupciones producidas por la
recepción de nuevas tramas CAN.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 18
Se ha añadido una resistencia de 120 Ω, necesaria como terminación para el bus CAN.
Por último, se ha conectado una resistencia de 47 KΩ entre el pin RS del microcontrolador MCP2551
y la toma de tierra a 0V, para seleccionar el modo de operación del componente. Conectándola de esta
manera, el modo de operación seleccionado es HIGH-SPEED o alta velocidad.
FIGURA 3.6: Conexiones finales entre las placas Arduino
3.1.4 Programación de Arduino
Se han desarrollado dos programas de ejemplo de uso y de comprobación de funcionamiento para Ar-
duino, uno para cada placa que se comunica. Una de ellas actuará como emisora de tramas CAN, y la
otra como receptora de tramas CAN.
Se ha empleado la librería CAN_BUS_Shield-master[8], bajo licencia MIT, que aporta las funciones
básicas para operar con la interfaz y el protocolo CAN, y la librería SPI nativa de Arduino, para la co-
municación con el microcontrolador. La librería CAN_BUS_Shield-master, al no ser una librería nativa
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 19
de Arduino, tiene que ser importada expresamente desde el menú del entorno de desarrollo de Arduino.
El código de la placa Arduino que envía las tramas CAN es el siguiente:
// demo: CAN-BUS Shield, send data
#include <mcp_can.h>
#include <SPI.h>
MCP_CAN CAN0(10); // Set CS to pin 10
void setup()
{
Serial.begin(115200);
Serial.print("=== INIT ====\r\n");
if(CAN0.begin(CAN_500KBPS) == CAN_OK) // init can bus
Serial.print("can init ok!!\r\n");
else Serial.print("Can init fail!!\r\n");
}
unsigned char stmp[8] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
void loop()
{
// send data: id = 0x00, standrad frame, data len = 8, stmp: data buffer
CAN0.sendMsgBuf(0x00, 0, 8, stmp);
delay(100); // send data per 100ms
}
La función Setup() configura el puerto serie a 115200 baudios y envía una traza para comprobar que
funciona correctamente, después inicializa el protocolo CAN con una frecuencia de 500 KB/s. Final-
mente, envía en bucle una trama CAN predeterminada cada 100 ms.
El código de la placa Arduino que recibe las tramas CAN es el siguiente:
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 20
#include <mcp_can.h>
#include <SPI.h>
long unsigned int rxId;
unsigned char len = 0;
unsigned char rxBuf[8];
MCP_CAN CAN0(10); // Set CS to pin 10
void setup()
{
Serial.begin(115200);
Serial.print("=== INIT ====\r\n");
CAN0.begin(CAN_500KBPS); // init can bus : baudrate = 500k
pinMode(2, INPUT); // Setting pin 2 for /INT input
Serial.println("MCP2515 Library Receive Example...");
}
void loop()
{
if(!digitalRead(2)) // If pin 2 is low, read receive buffer
{
// Read data: len = data length, buf = data byte(s)
CAN0.readMsgBuf(&len, rxBuf);
rxId = CAN0.getCanId(); // Get message ID
Serial.print("ID: ");
Serial.print(rxId, HEX);
Serial.print(" Data: ");
for(int i = 0; i<len; i++) // Print each byte of the data
{
// If data byte is less than 0x10, add a leading zero
if(rxBuf[i] < 0x10)
{
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 21
Serial.print("0");
}
Serial.print(rxBuf[i], HEX);
Serial.print(" ");
}
Serial.println();
}
}
Al igual que el programa de envío de tramas, la función Setup() configura el puerto serie a 115200
baudios y envía una traza para comprobar que funciona correctamente, después inicializa el protocolo
CAN con una frecuencia de 500 KB/s. Como añadido adicional, configura el pin 2 de la placa de arduino
como entrada, para recibir los cambios el pin INT del microcontrolador MCP2515.
Posteriormente, se lee en bucle el pin 2 de la placa, esperando un cambio que indique la recepción
de una trama CAN. Cuando esa recepción se produce, se lee el mensaje y se almacena en un buffer de
8 Bytes. Por último imprime el ID de la trama CAN recibida y el contenido de los datos, en formato
hexadecimal.
3.1.5 Ejecución y resultados
Se ha probado físicamente el circuito diseñado con todos sus componentes, y se han conectado los dos
módulos CAN a los pines especificados de la placa Arduino. Tras ésto, se han compilado y cargado a
cada una de las placas Arduino, los programas de recepción y envío de tramas CAN con las librerías
necesarias.
Se han reiniciado las placas para arrancar las aplicaciones cargadas y, empleando una herramienta
específica del entorno de desarrollo de Arduino, se han monitorizado los puertos serie de ambas placas,
a la frecuencia establecida de 115200 baudios, para comprobar si las trazas recibidas eran correctas.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 22
FIGURA 3.7: Trazas del puerto serie de Arduino. Recepción CAN (encima) y envío de
CAN (debajo)
Tras ésto, se ha podido comprobar que el circuito funciona correctamente y que todos los LEDS se
comportan según lo esperado. También, a través del puerto serie, se ha comprobado que la inicialización
el protocolo CAN es correcta y que se ha establecido la comunicación entre las dos placas Arduino,
tanto de recepción como de envío de tramas, dando así la prueba como satisfactoria.
3.2 Desarrollo con el módulo PiCAN2 CAN-Bus Board
Como siguiente fase del proyecto, nos hemos centrado en la implementación del bus CAN en el compu-
tador de placa única Raspberry Pi. Es una placa del tamaño de una tarjeta de crédito con el system-on-a-
chip Broadcom BCM2835, un procesador de ARM ARM1176JZF-S a 700 MHz, el procesador gráfico
VideoCore IV y una memoria RAM de 512 MB. Funciona con una alimentación de 5V, proporcionada
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 23
a través de un conector micro USB. Estas características nos proporcionan la potencia y funcionalidades
necesarias para implementar el protocolo CAN bus en ella. (véase figura 3.8).
FIGURA 3.8: Diagrama de la Raspberry Pi
https://tecnovortex.com/locos-por-el-raspberry-pi/
Existen diferentes modelos de este tipo de placa, que han ido desarrollándose y mejorándose con el
tiempo, añadiendo mas potencia, dispositivos adicionales o funcionalidades. El modelo de placa Rasp-
berry pi elegido es el B+, ya que dispone de la potencia y conexiones necesarias para la ejecución de
los ejemplos sobre CAN, además de ofrecer compatibilidad con el módulo externo CAN elegido para la
implementación del protocolo.
La Raspberry Pi modelo B+ posee un total de 40 pines digitales para dar soporte a la conexión de
diversos elementos, tal como se muestra en la figura 3.9.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 24
FIGURA 3.9: Esquema de pines de la Raspberry Pi modelo B
http://www.element14.com
De todos estos pines, los que nos interesan son los GPIO, que nos dan la posibilidad de leer y escribir
de ellos, pudiendo interactuar con el entorno y el resto de elementos. La placa posee 27 pines de este tipo.
Al inicio del proyecto se planteó la utilización del sistema operativo de Hard Real-Time Mar-
teOS[9], desarrollado por la Universidad de Cantabria, especialmente pensado para dispositivos em-
potrados. Este sistema operativo proporciona un verdadero entorno de tiempo real para ejecutar aplica-
ciones con este tipo de requerimientos. Finalmente, y debido a lo reciente del desarrollo de este sistema
operativo en este tipo de arquitecturas ARM[10] y la complejidad para implementarlo, se descartó su
uso.
Finalmente, como sistema operativo, se empleó Raspbian, un sistema operativo oficial para Rasp-berry Pi basado en Debian y por lo tanto, libre.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 25
3.2.1 Instalación y configuración del módulo PiCAN2 CAN-Bus Board
3.2.1.1 Módulo PiCAN2 CAN-Bus Board
Para la parte Hardware de control y transmisión del protocolo CAN bus, en este desarrollo sobre Rasp-
berry, se ha decidido emplear una placa ya fabricada específica para este propósito, pero con la parti-
cularidad de que los microcontroladores sobre los que ha basado su desarrollo, son los mismos que los
empleados en el desarrollo sobre Arduino, el MCP 2551 y el MCP2515.
La placa escogida es la PiCAN2 CAN-Bus Board, del fabricante SK Pang Electronics, la cual se
encarga de gestionar tanto la parte física como la parte de control y aplicación de protocolo CAN, tal y
como se comportaba el circuito desarrollado para Arduino, siendo éstos totalmente compatibles entre si.
FIGURA 3.10: PiCAN2 CAN-Bus Board
http://skpang.co.uk/catalog/pican2-canbus-board-for-raspberry-pi-23-p-1475.html
Este módulo soporta velocidades de hasta 1 MB/s, siendo capaz de enviar tramas en formato están-
dar o en formato extendido. También posee en la placa un resistencia de 120 Ω para poder ser utilizada
como terminación del bus CAN, para la cual es necesario insertar y soldar dos pines en el conector JP3
(véase figura 3.11) y unirlos para hacer válida la conexión. El pin de interrupción para la recepción de
tramas CAN se encuentra en el pin GPIO25 de la Raspberry.
Las conexiones con el bus CAN puede hacerse mediante un conector D-sub de nueve pines, o me-
diante la conexión directa de los cables CAN_H y CAN_L atornillándolos a los terminales. La conexión
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 26
con Raspberry se realiza sobre los pines de entrada/salida de la misma placa mediante un adaptador de
40 pines a medida sobre el que está construido el módulo PiCAN2 CAN-Bus Board.
FIGURA 3.11: Esquemático del fabricante de la placa PiCAN2 CAN-Bus Board
http://skpang.co.uk/catalog/images/raspberrypi/pi_2/pican2_rev_B.pdf
Como se puede apreciar en el esquemático del fabricante de la placa, las bases sobre la que está cons-
truida esta placa y la placa diseñada para el circuito de Arduino son similares, al emplearse los mismos
microcontroladores en ambos casos. Esta placa hace uso de los pines SPI_CE0, SPI_SCLK, SPI_MOSI
y SPI_MISO para la comunicación serie con la placa Raspberry y el pin GPIO25 para las interrupciones.
3.2.1.2 Instalación y configuración
Una vez escogida la placa CAN bus a utilizar, instalada en la placa Raspberry con el sistema operativo
Raspbian funcionando correctamente en la misma, se procede a especificar los pasos necesarios para
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 27
su instalación y puesta en funcionamiento, para que la placa Raspberry pueda detectar el módulo CAN
como una interfaz propia de comunicaciones.
Lo primero que necesitamos, es que el kernel tenga compilado la librería mcp251x. El kernel de
Raspbian sí que la tiene compilada por defecto, para comprobarlo, en un terminal de linux en la Rasp-
berry escribimos:
modprobe mcp251x
Tras ésto, tenemos que habilitar la interfaz SPI de la placa Raspberry, utilizada para la comunicación
con la placa PiCAN2 CAN-Bus Board, mediante la utilidad raspi-config.
cd /usr/bin
sudo ./raspi-config
Tras ésto se abrirá un menú, por el que deberemos navegar a través de:
Advanced Options > SPI > Enable > Ok
Con esta opción activada, el kernel cargará al inicio el módulo SPI por defecto. Tras ésto, deberemos
asegurarnos de que disponemos de las últimas versiones de los paquetes, para lo que lo comprobaremos
con un update y, tras ésto, reiniciaremos la placa para hacer efectivos los cambios.
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
sudo reboot
Al arrancar de nuevo, procederemos a configurar la interfaz que va a ser utilizada para la comunica-
ción CAN. Editamos el fichero /boot/config.txt.
sudo nano /boot/config.txt
Y añadimos al final del mismo las siguientes líneas:
dtparam=spi=on
dtoverlay=mcp2515-can0,oscillator=16000000,interrupt=25
dtoverlay=spi-bcm2835-overlay
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 28
Con estas opciones, configuramos al inicio la librería mcp251x, asignando el nombre “can0”a la
interfaz CAN, establecemos la frecuencia que emplea la placa para la comunicación, 16 MHz, la cual
debe coincidir con el reloj que se esté empleando en la placa del módulo CAN. Por último se configura
el pin GPIO25 de la placa Raspberry como pin de recepción de las interrupciones de tramas CAN.
Tras ésto, reiniciamos de nuevo la placa:
sudo reboot
Por último, ya podemos activar la interfaz de red que será utilizada para la comunicación CAN,
mediante la siguiente instrucción (la interfaz solo se mantiene activa hasta el siguiente reinicio, para
volver a activarla, ejecutar de nuevo esta instrucción):
sudo /sbin/ip link set can0 up type can bitrate 500000
Con este comando, activamos la interfaz “can0”a una velocidad de 0.5 MB/s. Tras ésto, la interfaz
debería ser visible y esta funcionando correctamente, para comprobarlo, ejecutamos el comando:
ifconfig
La interfaz debería aparecer como en la siguiente figura:
FIGURA 3.12: Interfaz can0 activa
3.2.1.3 Pruebas de envío y recepción
Envío desde Raspberry, recepción desde Arduino
Para hacer las primeras pruebas y comprobar el correcto funcionamiento de la interfaz que acabamos de
configurar, hemos utilizado unas librerías específicas para CAN desarrolladas en C y compatibles con
Linux, que contienen funciones básicas para la utilización y el testeo del protocolo CAN, tales como en-
viar tramas, generar tráfico CAN aleatorio, o recibir, mostrar y filtrar tramas CAN. La librería utilizada
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 29
es can-utils[11], que implementa la librería SocketCAN nativa de Linux.
Una vez descargada, compilamos el fichero cansend.c mediante el comando:
gcc -o cansend cansend.c
Lo ejecutamos con el siguiente comando:
./cansend can0 7DF#0201050000000000
Si la interfaz está correctamente configurada, se habrá enviado al bus CAN, a través de la interfaz
can0 una trama con ID 7DF y como campo de datos, 0201050000000000, correspondientes al máximo
de 8 Bytes de campo de datos permitido por el formato de las tramas CAN.
Para verificar el funcionamiento de esta última prueba, primero se conectó la placa Raspberry con
el módulo CAN, al bus CAN del circuito Arduino, que ya teníamos comprobado que funcionaba co-
rrectamente. Para ello, conectamos los pines CAN_H y CAN_L de el módulo PiCAN2 CAN-Bus Board
de Raspberry, a los pines CAN_H y CAN_L del microcontrolador MCP2551 del circuito de Arduino,
con la correspondiente resistencia de 120 Ω. Tras esto, se comprobó el funcionamiento de la interfaz,
tanto enviando tramas desde las Raspberry para ser recibidas por Arduino, como enviando tramas desde
Arduino para ser recibidas por la Raspberry.
Para el envío de tramas, se ha utilizado el comando cansend especificado mas arriba, y para la parte
de Arduino, se ha empleado el programa de recepción de tramas especificado en el apartado 3.1.4.
FIGURA 3.13: Envío de tramas CAN desde Raspberry a Arduino
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 30
Envío desde Arduino, recepción desde Raspberry
Para la recepción de tramas, se ha empleado otro programa de la librería can-utils, el programa candump,
cuyo funcionamiento es similar, aunque de forma mas simplificada, a Wireshark. Recibe las tramas CAN
del bus y las muestra en tiempo real. Para compilar este programa ejecutamos:
gcc -o candump candump.c
Y finalmente, para ejecutarlo:
./candump can0
Para la parte de Arduino, se ha empleado el programa de envío de tramas CAN especificado en el
apartado 3.1.4, que imprime constantemente todas las tramas CAN recibidas, actuando de forma similar
al programa candump utilizado antes.
FIGURA 3.14: Envío de tramas CAN desde Arduino a Raspberry
Envío y recepción entre Raspberrys
El último paso para dar como terminada y probada la configuración del módulo CAN ydel bus, es
probar la comunicación final entre dos Raspberry y sus respectivos módulos PiCAN2 CAN-Bus Board.
Para ello, se conectan los pines CAN_H y CAN_L de los respectivos módulos PiCAN2 CAN-Bus Board
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 31
de las Raspberry, con la correspondiente resistencia de 120 Ω necesaria para el bus.
Para el testeo, se emplean los mismos programas utilizados antes, cansend y candump, empleando
una Raspberry como emisora de tramas CAN y otra como receptora de tramas.
FIGURA 3.15: Envío de tramas entre dos placas Raspberry
Con esta última prueba, podemos determinar que la interfaz CAN y el módulo instalado funcionan
correctamente y son totalmente operativos.
Como última comprobación, se probó el tamaño del buffer designado en la interfaz que acabamos
de crear. Esto se puede ver en el campo txqueuelen al ejecutar el comando ifconfig. El buffer máximo
de mensajes configurado en la Raspberry por defecto es de 10, eso lo podemos probar sin conectar la
Raspberry al bus CAN, y enviando mas de 10 mensajes, al undécimo mensaje, da el error: “write: No
buffer space available ”y ejecutando el comando ifconfig podemos ver que el valor del campo txqueuelen
es 10 (véase figura 3.12). El tamaño del buffer de recepción de tramas CAN puede modificarse con el
comando:
ip link set can0 txqueuelen <size>
Esto también sirve para probar cuando el bus está en modo error-activo (véase figura 2.5) o entra
en modo error-pasivo cuando se producen varios intentos fallidos de transmisión de tramas, incluso
en modo Bus Off. Estos valores y otros parámetros del protocolo interesantes se pueden ver con los
comandos:
ip -details -statistics link show can0
cat /sys/bus/spi/drivers/mcp251x/spi0.0/net/can0/statistics/*
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 32
3.2.2 Librerías CAN desarrolladas
Con el objetivo de simplificar la tarea de desarrollo de proyectos empleando el protocolo CAN, se han
desarrollado unas librerías específicas para la configuración, recepción y envío de tramas a través de un
bus CAN, así como del formateo y parametrización necesario de los datos y opciones a enviar, que en
numerosos casos, conllevan mas dificultad de la originalmente prevista debido a las restricciones de los
lenguajes.
Las librerías se han desarrollado en el lenguaje de programación C, ya que es el lenguaje soportado
por el sistema operativo Linux para la creación de sockets específicos CAN. Además, se ha desarrollado
otra librería en el lenguaje ADA, que actúa como capa de transición entre los dos lenguajes, empleando
por debajo las funciones de la librería en C.
Esta librería de adaptación de lenguajes ha sido desarrollada debido a que, al ser uno de los puntos
fuertes del protocolo CAN su utilización para sistemas y proyectos de tiempo real, hacerla compatible
con el lenguaje de programación ADA era algo básico para aprovechar todos sus beneficios, ya que
ADA es uno de los lenguajes de programación mas recomendables y utilizados para este tipo sistemas y
requisitos.
3.2.2.1 Librería en C canLib.c
A pesar de denominar a este desarrollo en C como librería, lo que realmente se obtiene de su compilación
es un fichero .h o .o, para posteriormente ser utilizado por otros programas, a pesar de no haber sido
compilado con las condiciones específicas para convertirlo en una librería.
Como base para la construcción de la librería en C, se ha empleado la librería nativa de Linux para
el tratamiento de sockets específicos CAN, SocketCAN, que provee de las funciones y parámetros ne-
cesarios para la creación y conexión de sockets CAN. La intención al desarrollar esta librería ha sido
hacerla lo suficientemente genérica para que pueda ser utilizada por muchos tipos diversos de aplicacio-
nes, y a la vez sencilla para que la curva de aprendizaje y coste de implementación sea el mínimo posible.
En cuanto al funcionamiento de la librería, el principio básico es que al recibirse una trama, ésta se
almacena en un array de once posiciones, al que la librería tiene acceso global. La trama CAN recibida
se almacena en este array, con un formato específico para que su utilización sea mas sencilla e intuitiva,
ya que el tratamiento y conversión de los datos en crudo recibidos por las tramas es mas complejo de lo
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 33
que a priori puede parecer.
El formato que se le ha dado al array, en representación del frame CAN recibido es:
CAN FRAME CUSTOM FORMAT (can_data array)
=======================================================
| Read result | Message ID | Data size | Data (0 - 7) |
=======================================================
Read result -> Returns the number of bytes read, if the value is -1 or 0,
means that there is not more data to read from the socket.
Message ID -> The ID of the can node who sent the message
Data Size -> The number of bytes of the data field
Data -> Contains the data read from the socket, stored as one byte
per array position, in decimal format (from 0 to 255). The
number of data positions must match with the field "Data Size".
Tal y como está explicado, el primer valor del array representa el resultado devuelto por la operación
de lectura, en caso de lectura satisfactoria, devuelve el número de bytes leídos, en caso de error, el valor
devuelto es -1. El segundo campo del array, se compone de un valor decimal, que corresponde con el
número de identificador del nodo CAN que envió el mensaje. El tercer valor, similar al primer valor, se
corresponde con el campo DLC de la trama CAN e indica, en decimal, el número de Bytes que contiene
la misma, y por lo tanto, el número de campos que contiene posteriormente el array de datos. El último
campo varía desde 0 a 7 posiciones, correspondiendo cada una de ellas a cada byte leído del campo de
datos de la trama CAN, en formato decimal, y ocupando tantas posiciones como el valor Data size del
array indique.
Sobre esa base, se han desarrollado las siguientes funciones:
• canlib_init: Esta función se encarga de crear el socket CAN, asociado a una interfaz CAN decla-
rada al inicio del programa. Inicializa el socket para funcionar con el formato de tramas estándar
y también puede ser configurado para que filtre a partir del número de identificador de las tramas
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 34
CAN para recibir un único tipo de tramas (desactivado por defecto).
Como particularidad, inicializa el socket para que sea no bloqueante, es decir, que no se quede
bloqueado al realizar una función de lectura sobre el bus si no hay datos que leer. Esta funcionali-
dad se ha incluido para que se adapte al ejemplo práctico desarrollado, en la librería se ha dejado
indicado las líneas que deberían ser modificadas para cambiar este comportamiento.
Esta función no toma ningún parámetro como entrada y como salida, devuelve 1 si la inicializa-
ción y asociación de socket CAN ha sido satisfactoria, o -1 en caso contrario.
• sendCan: Esta función toma como parámetro de entrada una cadena de caracteres o String, y
devuelve como parámetro de salia un número entero, con valor 1 si el envío de la trama CAN
ha sido satisfactorio, o -1 en caso contrario. Como entrada, admite una cadena de caracteres, de
longitud par para ser codificada posteriormente en formato Byte, y con caracteres comprendidos
dentro del rango hexadecimal para permitir la conversión, es decir, valores desde 0 a F. La cadena
puede contener como máximo 16 caracteres, correspondientes a los 8 Bytes disponibles en las
tramas CAN estándar. Ejemplos:
"112233AABBCC4455" -> CAN frame completo
"1122AA" -> CAN frame parcial
"112" -> ERROR, no es par
"1122WW" -> ERROR, posee caracteres no hexadecimales
Los datos recibidos los convierte en Bytes compatibles con la trama CAN a enviar, y les añade el
identificador de trama ID declarado al inicio del programa, en formato hexadecimal. Si la cadena
de entrada obtenida como parámetro de entrada proviene de otro lenguaje distinto a C, se ha de
tener en cuentade que debe terminar con el carácter Null para ser correctamente interpretado por
le lenguaje C.
• receiveCan: Esta función no toma ningún parámetro de entrada, y devuelve como salida un valor
entero, resultado de la operación de lectura y que se corresponde con la cantidad de Bytes leídos,
o el valor -1 en caso de que se haya producido un error en la lectura, o de que se haya leído sobre
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 35
el socket y este no contenga datos de haber recibido ninguna trama, al no ser bloqueante.
Si como resultado de la operación de lectura, se han leído datos, estos son almacenados en el
array can_data respetando el formato de tramas definido anteriormente. Una nueva llamada a esta
función, sobreescribirá los datos almacenados en el array por los nuevos datos recibidos.
La posibilidad de hacer estas llamadas de lectura del socket no bloqueantes (o asíncronas), reside
en que las tramas CAN recibidas y no leídas al no haber un socket de lectura en espera de nuevas
tramas, no se pierden, si no que se almacenan en el buffer CAN de recepción de tramas, que a
pesar de ser limitado (y configurable), posee el suficiente margen para una lectura periódica en
buses no demasiado saturados por tramas CAN. Este es un factor importante a tener en cuenta a
la hora de desarrollar un sistema empleando esta librería o este tipo de sockets, y se ha de estudiar
de antemano la velocidad necesaria de lectura de tramas del bus con respecto a la carga máxima
de tramas esperada para evitar que el buffer de recepción se llene, ya que en este caso, las nuevas
tramas recibidas serán automáticamente descartadas.
• pointerCanFrame: Esta pequeña función es la que actúa como puente entre el lenguaje de pro-
gramación C y el lenguaje de programación ADA. No toma ningún valor como parámetro de
entrada, pero como valor de salida, devuelve un puntero a la dirección de memoria del array de
datos can_data, en donde se almacenan las tramas recibidas. Se ha tenido que diseñar de esta
forma, debido a la imposibilidad de intercambiar entre ambos lenguajes cadenas de caracteres de
forma óptima, o arrays de números enteros.
De este modo, la librería de ADA crea un array de enteros propio, con el mismo tamaño que el
array declarado en C, y apunta éste a la misma dirección de memoria del array can_data, por lo
que al efectuar lecturas sobre el mismo, se leerá la misma información que contiene el array de
tramas CAN recibidas desde la librería en C (véase 3.2.2.2).
3.2.2.2 Librería en ADA can.adb
Para compilar programas en ADA en el sistema operativo Raspbian de la Raspberry pi, necesitamos el
compilador de gnat, que no viene instalado por defecto. Para instalarlo ejecutamos:
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 36
sudo apt-get install gnat-4.9s
Esta librería de ADA requiere la librería de C canLib.c para su funcionamiento (véase 3.2.2.1). A su
vez, la librería canLib.c también requiere la librería lib.c basada en SocketCAN para su funcionamiento.
Por ello, primero hay que compilar las librerías de C necesarias mediante el siguiente comando:
gcc -c canLib.c
gcc -c lib.c
La salida de este comando genera un fichero con extensión “.o ”que posteriormente podrá ser enla-
zado por nuestro programa en ADA y compilado haciendo uso de el. Tras ésto procedemos a compilar
la librería de ADA. Al ser una librería y carecer de punto de entrada al programa, habrá que escribir
primero un pequeño programa en ADA, que importe esa librería y haga uso de sus funciones. A este
pequeño programa lo llamaremos test.adb. Para compilarlo, deberemos ejecutar el siguiente comando:
gnatmake test.adb -largs canLib.o lib.o
Este comando compila tanto el programa test.adb, como todas las librerías de ADA que éste importa,
incluyendo nuestra librería can.adb. Además, hay que incluirle como parámetro los ficheros “.o ”gene-
rados anteriormente de las librerías de C para que las enlace correctamente en las funciones importadas
en ADA. Una vez ejecutados estos comandos, se generará como salida un archivo ejecutable, de nombre
test, que podrá ser ejecutado sobre nuestra máquina.
Para utilizar desde ADA las funciones aportadas por la librería C, hay que importarlas como funcio-
nes propias de ADA, respetando los nombres de las librerías de C, de este modo:
function Read_Can return Integer;
pragma Import (C, Read_Can, "receiveCan");
La librería desarrollada en ADA actúa como puente de las funciones ofrecidas por la librería de C a
otros programas desarrollados sobre ADA, simplificando la tarea de conversión entre lenguajes. La parte
mas laboriosa de esta tarea de conversión entre lenguajes reside en el intercambio de tipos complejos
de datos entre ambos, especialmente al ser el lenguaje ADA un lenguaje mas restrictivo con los tipos de
datos.
Como se ha comentado en el apartado 3.2.2.1, el funcionamiento básico sobre el que se basa esta
librería ADA, es a través del uso compartido de un array de enteros, desde la librería en C, cada entero
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 37
representado el valor de 1 byte. Ésta posee una función que devuelve un puntero a la dirección de me-
moria del array de datos can_data, en donde se almacenan las tramas recibidas. De este modo, la librería
de ADA crea un array de enteros propio, con el mismo tamaño que el array declarado en C, y apunta
éste a la misma dirección de memoria del array can_data, por lo que al efectuar lecturas sobre el mismo,
se leerá la misma información que contiene el array de tramas CAN recibidas desde la librería en C.
En la librería ADA, se recoge la dirección del puntero proporcionada por la librería en C, y se apli-
ca sobre un puntero a array denominado Buffer_Address, del tipo System.Address nativo de ADA. Por
último, se crea un array denominado Buffer, del tipo específico de los enteros del lenguaje C, usando
la librería Interfaces.C nativa de ADA, y como índice para inicializarlo, se emplea el puntero Buf-
fer_Address.
Todo este proceso queda recogido en estas líneas de código:
function PointerCanFrame return System.Address;
pragma Import (C, PointerCanFrame, "pointerCanFrame");
Buffer_Address : constant System.Address := PointerCanFrame;
Buffer : array (1 .. can_frame_size) of Interfaces.C.int;
for Buffer’Address use Buffer_Address;
Finalmente, para utilizar el array obtenido en el lenguaje de programación ADA, es necesario una
conversión de datos del tipo Interfaces.C.int al tipo Integer nativo de ADA. Este proceso lo realiza la
función Parse_can_frame (ver mas adelante).
Las funciones que proporciona la librería de ADA can.adb son las siguientes:
• Init_Can_C: Esta función enlaza directamente con la función de C canlib_init, teniendo el mis-
mo comportamiento que el descrito en su apartado (3.2.2.1). No toma ningún valor de entrada, y
devuelve 1 si la inicialización de la librería ha sido satisfactoria, o -1 en caso contrario.
• Write_Can: Esta función enlaza directamente con la función de C sendCan, teniendo el mismo
comportamiento que el descrito en su apartado (3.2.2.1). Toma como valor de entrada un String,
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 38
que debe respetar el formato establecido y descrito, y como salida, devuelve 1 si el envío de la
trama ha sido satisfactoria, o -1 en caso contrario.
Para esta función, hay que tener en cuenta que el String enviado como parámetro de entrada,
debe terminar con el carácter Null, para ello, una vez tengamos construido el String de datos que
queremos enviar, le añadiremos el carácter de la siguiente forma:
Data : String := "11223344" & Character (nul);
• Read_Can: Esta función enlaza directamente con la función de C receiveCan, teniendo el mismo
comportamiento que el descrito en su apartado (3.2.2.1). No toma ningún parámetro como valor
de entrada y, si la recepción ha sido satisfactoria, devuelve el número de número de Bytes que
contiene la trama leída, en caso contrario devuelve -1.
Esta función de lectura no devuelve ningún valor, la trama leídapor la función es accesible a través
del array can_frame, al cual se vuelcan los datos leídos y se actualizará de manera automática con
los nuevos datos leídos. Cabe puntualizar que una nueva lectura de datos, sobreescribirá los datos
ya existentes en el array.
• PointerCanFrame: Esta función es la actúa como puente entre los lenguajes C y ADA, transmi-
tiendo el puntero del array de datos de uno, al otro, para que pueda ser usado y copiado en un
array compatible del lenguaje ADA, como se ha explicado anteriormente. Esta función tiene que
ser llamada directamente al declarar un objeto tipo puntero System.Address, no debe ser llamada
como una función estándar de ADA.
• Parse_can_frame: Esta función es la encargada de recorrer el array de recepción de tramas Buffer,
de tipo Interfaces.C.unsigned para convertirlo en el tipo Integer nativo de ADA, y así poder usarlo
con comodidad. El resultado lo almacena en el array can_frame, que es el que debe usarse desde
el lenguaje ADA para el acceso y tratamiento de los datos recibidos del frame. Esta función no
toma ningún parámetro de entrada o de salida.
• IntegerToHexString: Esta función ha sido diseñada para facilitar el tratamiento de datos a la hora
de construir el String de envío de tramas a través de la función Write_Can. Esta función convierte
un número entero en formato decimal, a un String en formato hexadecimal, con la longitud indica-
da en uno de sus parámetros de entrada. Como parámetro de entrada, recoge el número entero que
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 39
queremos convertir, y la longitud de salida deseada del String que devuelve, y como parámetro de
salida, ofrece el String construido.
El máximo número entero que podemos enviarle a la función para su conversión, depende del
parámetro de longitud enviado a la misma. Esto se debe a las propias restricciones a la hora de
convertir al formato hexadecimal. La función que contempla eso, siendo StringSize el valor de
longitud de String de salida, y Number, el número a convertir en hexadecimal, tenemos que:
Max number = 16StringSize − 1
También hay que tener en cuenta, que el máximo valor de tamaño del String resultante que acepta
la función, es 7, ya que el número entero que sería necesario para rellenar un String de lon-
gitud 8 en hexadecimal, excedería el tamaño máximo permitido por el tipo Integer en ADA,
4.294.967.296, que contando con el número 0, es 4.294.967.295.
La función convierte el número recibido en formato hexadecimal con la función Put, la cual
devuelve un String con formato #16#NumberInHex. Tras esto, se realiza un Split (partición del
String) empleando como separador el carácter #. De este resultado, se almacena el segundo cam-
po, el valor hexadecimal del número, en un tipo Unbounded_String de ADA, que se comporta
como un String con longitud indeterminada, para así poder saber el tamaño del String obtenido
como resultado y poder adaptarse a los diferentes tamaños de resultados posibles. Por último,
se rellena el Unbounded_String obtenido con ceros hasta coincidir con el tamaño StringSize del
String, obtenido como parámetro de entrada, y se devuelve el resultado en formato String clásico.
• example: Este procedimiento de la librería carece de función práctica, se ha incluido como ejem-
plo del funcionamiento de la misma, y de cada una de las funciones que contiene. Primero, ini-
cializa la librería CAN mediante la función Init_Can_C, crea un String de longitud 4, con el valor
211 en hexadecimal mediante el uso de la función IntegerToHexString, tras esto, prueba la función
Write_Can enviando una trama con contenido de datos 11223344, es decir, de 4 Bytes.
Por último, entra en un bucle infinito de lectura, para probar el funcionamiento de la función
Read_Can. Si la lectura de una trama es exitosa, la copia al array can_array definitivo con el
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 40
formato especificado, mediante la función Parse_can_frame, e imprime los valores recibidos por
pantalla. En caso de una lectura errónea, o con el buffer de recepción de tramas vacío, espera
cinco segundos y repite la operación. Esto es debido a que el socket es no bloqueante, para que
no sature la CPU con infinitas lecturas innecesarias. Además, sirve para probar que las tramas
recibidas durante esos cinco segundos en los que está el programa en espera, no se pierde ninguna
trama, si no que son leídas cuando este despierta de nuevo.
3.3 Ejemplo de aplicación CAN - Control de tráfico
Para este ejemplo de aplicación real del protocolo CAN, nos hemos basado en un proyecto anterior ya
desarrollado como trabajo de fin de grado: Solución centralizada para la optimización automática del
flujo de tráfico en una Smart City1.
Este proyecto consistía en un sistema distribuido de tiempo real, pero que empleaba sockets TCP/IP
sobre Ethernet para las comunicaciones. Por ello, ya que el protocolo TCP/IP no ofrece garantías para
sistemas de tiempo real, el proyecto original se ha modificado, adaptado y simplificado para implantar
el protocolo CAN en sus comunicaciones.
3.3.1 Objetivos del proyecto original
El objetivo principal del proyecto es el de desarrollar un sistema que aporte una solución de bajo coste
al problema del tráfico en las ciudades y que sea aplicable en entornos reales, para que éstas puedan
implantarlo en sus programas de Smart City actuales o futuros.
Para ello, el sistema es capaz de reducir el tiempo de espera de los vehículos en su circulación por las
vías en las que está implantado, teniendo conocimiento de las conexiones entre los diferentes nodos, de
la situación del tráfico en en tiempo real, y regulando el funcionamiento de los cruces en consecuencia
para conseguir una circulación lo mas fluida posible y con el menor tiempo de espera global por parte
de los coches en los cruces.
Gracias a la optimización de la circulación del tráfico y del tiempo de espera de los vehículos, las
principales ventajas que se consiguen son las siguientes:
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 41
• Reducción del tiempo de circulación de los vehículos por el casco urbano.
• Reducción del consumo de combustible, debido al menor tiempo en funcionamiento de los vehícu-
los.
• Reducción de la contaminación provocada por los gases desprendidos por los vehículos como
consecuencia combinada de los puntos anteriores.
• Atención mas rápida en caso de emergencias.
• Aportar una solución alternativa a la construcción de nuevas carreteras para mejorar la circulación.
3.3.2 Descripción del sistema
Para llevar a cabo este objetivo, la arquitectura diseñada se basa en nodos. Cada nodo será el responsable
de controlar un único cruce de vías y constará de los siguientes elementos (véase 3.16):
• Cuatro semáforos, agrupados en dos pares que funcionarán de forma simultánea, que serán los
responsables de la regulación del tráfico en el cruce mediante el encendido y apagado de los
mismos.
• Ocho sensores de paso. Cada cruce dispone de cuatro vías de doble sentido, que confluyen en el
centro del mismo, cada vía dispondrá de un sensor de paso para controlar el tráfico en esa vía.
• Un elemento de control, comunicación y recolección de datos por nodo. Para ello, se empleará el
Ordenador de Placa Única Raspberry Pi modelo B+, debido a su bajo coste, capacidad de cálculo,
y a los pines de E/S que posee para controlar los otros componentes HW.
Cada nodo es el encargado de recoger la información perteneciente al cruce al que está asignado y
comunicárselo al resto de nodos a través del bus CAN. A su vez se encarga de recibir la información
proveniente del resto de nodos del sistema y modificar los actuadores del cruce en consecuencia. Las
comunicaciones se llevarán a cabo mediante el protocolo CAN, los nodos comunican tanto la situación
del tráfico actual que sale por cada una de sus interfaces. El número de nodos que admite el sistema es
variable y dinámico, esto permite que el sistema pueda crecer según las necesidades del entorno, y asíadaptarse tanto a grandes como a pequeños proyectos, además de aportar tolerancia a fallos en caso de
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 42
desconexión de alguno de los nodos.
Cada vez de que se produce un cambio de ciclo de semáforos, en función de los datos recogidos
por los sensores, y los datos de tráfico recibidos por el resto de nodos, se calculan los nuevos tiempos
de apertura y cierre de los semáforos, aplicables al siguiente ciclo, para tratar de mejorar la fluidez del
tráfico de manera dinámica.
Para probar el funcionamiento del sistema y debido a la imposibilidad de probarlo en un entorno
real, por los permisos requeridos y el coste que conlleva, el tráfico del sistema se ha simulado, así como
el comportamiento de los sensores, semáforos y demás elementos de los nodos.
A continuación se incluye un esquema del planteamiento de los cruces para una mejor compren-
sión del mismo.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 43
FIGURA 3.16: Esquema interno de un nodo
Los semáforos se han agrupado por pares, debido a que el control de los semáforos enfrentados es
idéntico (cuando uno está en rojo, el otro también, y viceversa) y pueden ser controlados como si fueran
un único semáforo.
En cuanto a la circulación en el interior del cruce, no se imponen restricciones de giro a los vehículos
de ningún tipo, cada vehículo que salga de una vía al ponerse el semáforo en verde, puede tanto seguir
de frente como girar a derecha o izquierda.
Los sensores de las vías de salida se han situado al comienzo de la vía, y su función es llevar la
cuenta de los vehículos que salen por esa interfaz en dirección a otros cruces, o al exterior del sistema,
en caso de no estar esa interfaz conectada a otro cruce del sistema. Los sensores de las vías de entrada
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 44
al cruce se sitúan varios metros antes de la llegada al semáforo, para así poder llevar la cuenta de los
vehículos que llegan al cruce y que quedan esperando en él, y poder seguir contándolos en caso de que
se acumulen varios en un semáforo en rojo.
Uno de los problemas que produce este tipo de topología y el uso de únicamente 8 sensores, es que
es posible obtener el número de vehículos que entran al cruce y que esperan en el, pero no es posible
saber, una vez que el semáforo se pone con luz verde, que número de coches sale del mismo. Por ello,
ese valor se aproxima mediante cálculos matemáticos (véase Solución centralizada para la optimización
automática del flujo de tráfico en una Smart City). La simulación del tráfico se basa en la simulación de
los valores de los sensores con el paso del tráfico, tanto de entrada como de salida.
El proyecto se ha diseñado para trabajar inicialmente con cuatro nodos conectados entre sí, por lo que
a la hora de compilar el programa principal del proyecto, hay que realizar una serie de modificaciones
sobre él, para configurar la topología del proyecto y poder identificar a cada nodo. Hay que realizar las
siguientes configuraciones:
En el programa canLib.c, añadir el identificador del nodo para el que lo vamos a compilar, pudiendo
ir este del número 1 al 4 en formato hexadecimal. Ejemplo para el identificador de primer nodo:
#define CAN_ID 0x001
La librería desarrollada también da la posibilidad de cambiar la interfaz CAN sobre la que queremos
transmitir y recibir, pero no es necesario modificarla. Por último, también tenemos que configurar el
identificador del nodo en el programa ADA main.ads, como en el paso anterior, de la siguiente forma
para el nodo uno:
ID: constant Integer := 1;
Estos identificadores de nodo se emplean a la hora en enviar tramas CAN con identificadores propios,
para conocer el remitente del mensaje y poder identificarlo dentro de la topología ((véase figura 3.17)
diseñada, y así poder conocer como afecta el tráfico saliente de cada una de las interfaces de ese nodo,
con las posibles conexiones que pueda tener con las interfaces del resto de nodos receptores del mensaje.
La topología y conexiones que se han diseñado para esta prueba entre los cuatro nodos, queda refle-
jada en este esquemático:
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 45
FIGURA 3.17: Conexiones entre los cuatro nodos
Internamente, para representar estas conexiones dentro del programa ADA de cada uno de los nodos,
se ha construido una matriz que las representa, en función de la interfaz del nodo propio, y el identifica-
dor del nodo con el que está conectado por esa interfaz. Cada fila de la matriz representa las conexiones
de un nodo, por lo que en la matriz están representadas las conexiones de los cuatro nodos posibles de
esta topología.
Las filas de la matriz van del rango 1 al 4, representando así para cada una, los valores de conexiones
para cada uno de los nodos. Los valores de las columnas, van del rango 0 al 3, y representan cada una de
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 46
las vías de entrada de vehículos de las que disponen. El valor de cada posición de la matriz, corresponde
al nodo con el que se tiene conexión en esa vía, empleando el 0 como número de identificador inválido,
indicando que no hay conexión.
La representación según este modelo de la topología diseñada en lenguaje ADA es el siguiente:
type interface_conections is array (0..3) of Integer;
type matrix is array (1..4) of interface_conections;
global_conection : constant matrix := ((3, 2, 2, 0),
(4, 1, 0, 1),
(0, 1, 4, 0),
(0, 2, 0, 3));
conections : constant interface_conections := global_conection(ID);
Donde interface_conections es un array de 0 a 3 que representa las vías de entrada de vehículos de
los nodos, y global_conection es un array de 1 a 4 compuesto por objetos de tipo interface_conections.
ID corresponde con el identificador propio de cada nodo, y mediante él, cada nodo dispone de su rela-
ción de conexiones con otros nodos almacenado en el array conections.
Por ejemplo, el nodo con ID = 2, tendría como array de conexiones: (4, 1, 0, 1), representando así
que está conectado con el nodo 4 por la vía 0, con el nodo 1 por las vías 1 y 3, y que no tiene conexión
por la vía 2.
Para la lectura de valores de los sensores, y escritura de valores para los semáforos, el proyecto
emplea la librería bcm2835, en una versión modificada para hacerla compatible con la simulación del
tráfico. La librería original posee funciones para la lectura y escritura sobre los pines de la Raspberry, las
modificaciones que se han realizado, mantienen la misma interfaz que la librería original para hacerla
compatible, pero las lecturas de los valores de los pines se realizan sobre un fichero predeterminado,
en vez de sobre los pines de la Raspberry. El fichero utilizado contiene una simulación del tráfico en
función de las activaciones o las desactivaciones de los pines de los sensores de paso del nodo.
Capítulo 3. Desarrollo del proyecto 47
Para la versión CAN de este proyecto, se han utilizado las librerías CAN desarrolladas en el apartado
3.2.2.2, las cuales se apoyan sobre las librerías CAN de C (ver 3.2.2.1). Para compilar este proyecto, se
han de seguir los siguientes comandos:
gcc -c lib.c
gcc -c canLib.c
gcc -c bcm2835_simulated.c
gnatmake init_pi.adb -largs canLib.o lib.o bcm2835_simulated.o
Entrando en detalle en la programación del sistema, y como se ha comentado anteriormente, se ha
seguido una programación con características de tiempo real, basada en tareas de ADA, para garantizar
un correcto y preciso funcionamiento del mismo. En cuanto al control de los semáforos, se ha establecido
un tiempo mínimo de apertura (tiempo en verde) de los semáforos de 10 segundos, y un tiempo máxi-
mo de 60 segundos. El intercambio de información entre las diferentes tareas del programa se realiza
mediante el uso de objetos protegidos, para garantizar la consistencia de los datos debido a su exclusión
mutua, basada en prioridades. Los objetos protegidos siguen el protocolo de techo de prioridad inmedia-
to, por lo que se les asigna la mayor prioridad